Plasmamodifizierung von Poly-benzimidazol-Polymermembranen fur die PEM-Brennstoffzelle

摘要

Fur Anwendungen in Polymerelektrolytbrennstoffzellen haben Polybenzimidazol (PBI)-Membranen den Nachteil, dass sie eine hohe Beladung mit dem Elektrolyten Phosphorsaure sowohl fur eine ausreichende Protonenleitfahigkeit als auch fur den Protonentransfer zwischen Membran und Elektroden benotigen. Mit zunehmender Saurebeladung sinkt aber die mechanische Stabilitat der Membranen. Daher wurden in dieser Arbeit die Oberflachen von PBI-Membranen durch plasmachemische Prozesse verandert, um den Protonentransfer zwischen Membran und Elektrode durch die Anwesenheit von Carbonsaure-, Sulfonsaure- und phosphorsauren Gruppen zu verbessern. Die PBI-Membranen wurden nach der Funktionalisierung mit drei verschiedenen Sauremengen beladen und in einem Brennstoffzellen-Prufstand (160 °C, potentiostatisch bei 0,6 V, 3 bar Luft/H2) getestet. Bei niedrigen Saurebeladungsgraden von 72 Masse-% fuhren die Oberflachenmodifikationen zu deutlichen Leistungssteigerungen. Die hochste Steigerung der Leistungsdichte von 164% im Vergleich zur unmodifizierten PBI-Membran erzielte die PBI-Membran mit einer gemischten Funktionalisierung aus phosphorsauren Gruppen, Sulfonsaure- und Carbonsauregruppen. Allerdings liegt die absolute Leistungsdichte der Brennstoffzelle mit dieser Membran bei einer Phosphorsaurebeladung von 72 Masse- % nur bei 0,17 W/cm~2. Fur mobile Anwendungen wie z. B. den Antriebsstrang eines Automobils sind deutlich hohere Leistungsdichten erforderlich. Daher wurden hohere Phosphorsaurebeladungen eingestellt. Bei einer Saurebeladung von 78 Masse- % erzielte die beste plasmamodifizierte PBI-Membran mit 0,46 W/cm~2 eine um 38% hohere Leistungsdichte als die unmodifizierte PBI-Membran. Bei einer noch hoheren Phosphorsaurebeladung von 84 Masse- % liegen fast keine Unterschiede in den Leistungsdichten vor; Phosphorsaure im Kontaktbereich Elektrode - Membran sorgt hier bereits fur einen ausreichenden Protonentransfer.